教育數(shù)字化背景下高中化學(xué)實驗課教學(xué)模式創(chuàng)新研究

農(nóng)能干

摘 要：在教育數(shù)字化背景下，高中化學(xué)教師在實驗課教學(xué)活動中可以嘗試引進(jìn)多元化的創(chuàng)新教學(xué)模式和方法，如利用虛擬實驗室，帶領(lǐng)學(xué)生參與高效率的仿真實驗學(xué)習(xí)；借助遠(yuǎn)程實驗教學(xué)活動，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行體驗式的實驗探究；借助互動實驗?zāi)M軟件，引導(dǎo)學(xué)生在實際實驗操作前進(jìn)行模擬學(xué)習(xí)等。本文對教育數(shù)字化背景下高中化學(xué)實驗課教學(xué)模式進(jìn)行創(chuàng)新改善，旨在提高化學(xué)實驗教學(xué)水平。

關(guān)鍵詞：教育數(shù)字化；高中化學(xué)；實驗課；教學(xué)模式

在教育數(shù)字化的時代背景下，高中化學(xué)實驗課的教學(xué)模式面臨著新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。隨著科技的不斷進(jìn)步和教育手段的不斷更新，傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式已經(jīng)難以滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和教學(xué)目標(biāo)。因此，對高中化學(xué)實驗課教學(xué)模式進(jìn)行創(chuàng)新研究，引進(jìn)多元化的實驗教學(xué)模式和方法，帶領(lǐng)學(xué)生對實驗課程知識進(jìn)行更深層次、多維度的學(xué)習(xí)，以適應(yīng)數(shù)字化教育的發(fā)展趨勢，提高教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，具有重要的理論和實踐意義。

一、高中化學(xué)實驗課教學(xué)原則

高中化學(xué)實驗課教學(xué)活動應(yīng)當(dāng)秉承探究性原則，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中嘗試對未知的化學(xué)概念以及知識理論進(jìn)行探索學(xué)習(xí)，而不是簡單參照已有的知識規(guī)律和實驗步驟進(jìn)行操作。教師須保證學(xué)生在實驗學(xué)習(xí)過程中能夠獲取到探秘化學(xué)知識、化學(xué)原理的體驗，從而進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探索思維。其次，高中化學(xué)實驗課程教學(xué)也應(yīng)當(dāng)秉承安全性原則，由于在教學(xué)過程中會涉及大量危險化學(xué)品的使用，教師需要制訂更加嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致的安全管理計劃和方案，包含約束學(xué)生的操作行為，規(guī)范學(xué)生的作業(yè)手法。另外，高中化學(xué)實驗教學(xué)活動也應(yīng)當(dāng)具備理實互動性，即在實驗教學(xué)過程中穿插理論知識，在理論教學(xué)環(huán)節(jié)引進(jìn)實踐案例，從而幫助學(xué)生做到知信行合一[1]。

二、高中化學(xué)實驗課教學(xué)存在的問題

高中化學(xué)教師在組織實驗課教學(xué)過程中會遇到各種問題。首先是實驗設(shè)備不足，缺乏必要的實驗設(shè)備和藥品，導(dǎo)致學(xué)生無法正常進(jìn)行實驗，從而限制其實踐和理解探索化學(xué)知識。其次，在化學(xué)實驗教學(xué)過程中也涉及危險性較高的化學(xué)品和化學(xué)操作項目，由于學(xué)生的安全意識較為薄弱，再加上實驗安全準(zhǔn)備工作未落實到位，很容易產(chǎn)生各種安全隱患。另外，有的學(xué)生不了解實驗步驟以及對實驗過程描述不清晰，在學(xué)習(xí)過程中也可能會產(chǎn)生困惑，導(dǎo)致實驗結(jié)果不準(zhǔn)確或無法得出正確結(jié)論。除此之外，在部分實驗教學(xué)活動中，教師沒有將課堂知識理論與實驗操作緊密結(jié)合在一起，從而導(dǎo)致學(xué)生無法將實驗結(jié)果和理論知識整合在一起，影響其對化學(xué)知識的理解和認(rèn)知。最為關(guān)鍵的是，受到部分實驗器材、時間的限制，學(xué)生可能無法充分進(jìn)行實驗操作，從而制約了學(xué)生的動手操作能力和探究能力的培養(yǎng)。因此，通過分析當(dāng)前高中化學(xué)實驗教學(xué)存在的問題，可以看出在教育數(shù)字化背景下，教師可以借助信息化教學(xué)手段來改善實驗教學(xué)中出現(xiàn)的一些問題，使高中化學(xué)實驗教學(xué)水平和質(zhì)量得到進(jìn)一步提升。

三、教育數(shù)字化背景下高中化學(xué)實驗課教學(xué)模式創(chuàng)新

（一）引進(jìn)虛擬實驗室

利用虛擬軟件工具引導(dǎo)學(xué)生在計算機(jī)系統(tǒng)上開展化學(xué)實驗學(xué)習(xí)，模擬真實實驗過程，借此可有效克服實驗設(shè)備不足以及實驗條件所受到的限制，可為學(xué)生提供更加安全的實驗操作環(huán)境。虛擬實驗室能夠有效改善化學(xué)教學(xué)過程中的時間、空間欠缺和不足，可保證實驗課程教學(xué)能夠提質(zhì)增效。在此過程中，教師可引進(jìn)仿真信息系統(tǒng)，完成對實驗情境空間的打造；同時也可在實驗教學(xué)過程中通過虛擬系統(tǒng)來展示實驗步驟。另外，在虛擬系統(tǒng)中，教師也可讓學(xué)生大膽放心操作，學(xué)生可以根據(jù)自己對知識的掌握和理解，自主控制化學(xué)實驗操作過程，對化學(xué)藥劑的投入量進(jìn)行靈活管控，通過觀察不同的實驗現(xiàn)象，從而進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的興趣，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。例如：在講解鈉與水的反應(yīng)時，教師可利用虛擬系統(tǒng)，讓學(xué)生自由投放反應(yīng)物質(zhì)，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)鈉投放得越多，與水的反應(yīng)就越劇烈；學(xué)生還可以繼續(xù)將其他堿金屬依次投放到水中，會發(fā)現(xiàn)隨著堿金屬的金屬性增強(qiáng)，與水反應(yīng)的劇烈程度也會加大。在實驗操作過程中借助仿真虛擬系統(tǒng)進(jìn)行大膽嘗試演練，根據(jù)自身想到的步驟，大膽操作，學(xué)生可靈活控制實驗變量、實驗過程，可進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新探索能力，使學(xué)生的學(xué)習(xí)水平得到有效提升[2]。

除此之外，傳統(tǒng)實驗室的實驗設(shè)備、材料有限，學(xué)生無法參與所有實驗，而學(xué)生在虛擬實驗項目中可靈活自主選取實驗項目和材料，可根據(jù)自身的學(xué)習(xí)需求和興趣進(jìn)行靈活自主實驗，借此可提高學(xué)生的積極性和主動性。最后，學(xué)生也可利用虛擬系統(tǒng)復(fù)盤實驗操作，借助虛擬系統(tǒng)所提供的腳本錄制功能，可及時記錄學(xué)生在實驗操作過程中的每一步、每一個環(huán)節(jié)，學(xué)生在總結(jié)實驗的過程中可通過反復(fù)觀察，剖析自身的實驗操作步驟，分析在實驗學(xué)習(xí)過程中存在的不足之處，并且進(jìn)行反饋、反推理、再演練，從而糾正錯誤的學(xué)習(xí)方式，改進(jìn)實驗項目。因此，通過虛擬系統(tǒng)可以指導(dǎo)學(xué)生開展高效率的實驗探索，提高學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)品質(zhì)。

（二）遠(yuǎn)程實驗教學(xué)模式

虛擬實驗平臺給予學(xué)生更加靈活的操作空間，學(xué)生能夠在相關(guān)系統(tǒng)中自由操作演練，獲取到更加深刻的學(xué)習(xí)體驗和感觸。但是，此類實驗教學(xué)模式和方法還存在一定的限制，比如無法為學(xué)生提供更加真實的視覺體驗。為了解決這一問題，教師可組織遠(yuǎn)程實驗教學(xué)活動，借助一些優(yōu)秀學(xué)校的軟硬件設(shè)施，或者與相關(guān)教學(xué)機(jī)構(gòu)進(jìn)行交流合作，開展部分難度系數(shù)較大的化學(xué)實驗。學(xué)生可利用遠(yuǎn)程控制技術(shù)，通過計算機(jī)遠(yuǎn)程操作實驗設(shè)備，可在不同地點進(jìn)行實驗操作，克服地域環(huán)境條件的限制；而相關(guān)遠(yuǎn)程端則可根據(jù)學(xué)生的提示來進(jìn)行實驗操作。在該環(huán)節(jié)，教師也可通過視頻會議聊天工具等方式，及時解答學(xué)生在遠(yuǎn)程端操作過程中所遇到的困難和挑戰(zhàn)。這種模式不僅能夠解決傳統(tǒng)實驗教學(xué)中實驗設(shè)備不足、實驗操作不便等問題，還能夠提供更加安全和可控的實驗環(huán)境[3]。

例如：在混合物的分離和提純實驗中，學(xué)生便可進(jìn)行遠(yuǎn)程實驗操作，利用電腦終端，傳遞相關(guān)指令，引導(dǎo)遠(yuǎn)程端的操作員進(jìn)行實驗操作。其中學(xué)生可參與過濾、蒸發(fā)、蒸餾等實驗項目，在過濾實驗中，學(xué)生可借助遠(yuǎn)程端實驗室豐富的過濾器材，如不同密度的過濾網(wǎng)，檢測液體中不溶于水的顆粒物質(zhì)以及混合物。同時也可在蒸餾實驗中，參與溶液濃縮以及溶質(zhì)晶體析出等實驗操作活動。利用這種方式讓學(xué)生在電腦系統(tǒng)上參與真實的實驗學(xué)習(xí)，隔著屏幕能夠觀察到實驗現(xiàn)象；同時在遠(yuǎn)程端教師以及操作人員的指引下，學(xué)生也能夠掌握實驗學(xué)習(xí)的基本方法，在教師的提示下，能夠進(jìn)一步豐富完善學(xué)生的知識儲備。

（三）互動實驗?zāi)M軟件

有條件的學(xué)校還可以利用互動實驗、模擬軟件開展高中化學(xué)實驗課教學(xué)活動。相關(guān)實驗活動主要是利用計算機(jī)技術(shù)以及虛擬技術(shù)，模擬真實的實驗環(huán)境和操作，學(xué)生能夠在互動實驗?zāi)M學(xué)習(xí)模式下獲取到更加良好的操作體驗。首先，互動實驗?zāi)M軟件與上述所講解到的虛擬仿真系統(tǒng)具備相同的功能，同樣可模擬實驗環(huán)境、實驗室的布置、儀器設(shè)備，模擬化學(xué)品的呈現(xiàn)。學(xué)生可以利用VR（虛擬現(xiàn)實）、AR（增強(qiáng)現(xiàn)實），通過軟件來感受真實的實驗室氛圍，獲取沉浸式的實驗操作體驗。但是其中最為核心的功能是，在虛擬操作環(huán)節(jié)，學(xué)生可進(jìn)行交互式操作，與同伴、教師共同研討實驗過程；并且在互動學(xué)習(xí)過程中可采集實驗數(shù)據(jù)，分析實驗現(xiàn)象，探尋實驗規(guī)律。另外互動模擬實驗具備強(qiáng)大的人機(jī)交互功能，能夠及時指出學(xué)生操作中存在的不足之處，并且提示學(xué)生其中可能存在的安全隱患問題。軟件可根據(jù)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，給予學(xué)生正確的操作提示，保證學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)更加安全、高效。此類互動實驗主要是在線下實驗教學(xué)前，讓學(xué)生提前在線上進(jìn)行模擬學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生在互動虛擬系統(tǒng)中根據(jù)自身的理解進(jìn)行前期初步的實驗操作，探尋到在后續(xù)真實實驗學(xué)習(xí)過程中所需要關(guān)注的注意事項，并且結(jié)合虛擬實驗結(jié)構(gòu)為真實實驗教學(xué)提供參照和指導(dǎo)。

在進(jìn)行硅酸的制備實驗前，學(xué)生可以在相關(guān)互動虛擬實驗室中嘗試引進(jìn)不同的實驗方法。可利用稀鹽酸和硅酸鈉反應(yīng)，在虛擬系統(tǒng)中嘗試投放不同容量的硅酸鈉溶液，學(xué)生可根據(jù)提示、指引進(jìn)行實驗操作。例如：在后續(xù)步驟中滴入1～2滴酚酞溶液，再用膠頭滴管，逐滴加入稀鹽酸，一邊加入一邊攪拌。此時，系統(tǒng)可根據(jù)學(xué)生的操作步驟，記錄學(xué)生在操作期間存在欠缺和不足，比如有的學(xué)生在溶液顏色變淺并且接近消失時還在繼續(xù)攪拌，繼續(xù)添加溶液，從而無法得到良好的實驗結(jié)果。當(dāng)學(xué)生完成攪拌之后，系統(tǒng)便會給出提示：有透明硅酸凝膠形成。最后，系統(tǒng)會將學(xué)生的實驗操作進(jìn)行復(fù)盤并且展現(xiàn)出其中的實驗原理，學(xué)生明白了是因為硅酸鈉溶液呈堿性，滴加酚酞試劑后溶液呈現(xiàn)紅色，當(dāng)不斷加入稀鹽酸之后，堿性被慢慢中和，導(dǎo)致溶液顏色變淺至消失，從而生成了硅酸沉淀，最后學(xué)生根據(jù)實驗現(xiàn)象，寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式。通過這樣的引導(dǎo)，學(xué)生更加深入細(xì)致地理解并掌握其中使用原理，學(xué)生可復(fù)制實驗學(xué)習(xí)過程中的操作步驟，開展現(xiàn)場實驗操作學(xué)習(xí)，根據(jù)其中的實驗提示以及實驗過程，進(jìn)行安全操作。因此，互動式虛擬實驗主要是幫助學(xué)生在正式實驗前進(jìn)行簡單實驗復(fù)盤、實驗演練，使學(xué)生能夠在正式操作前明確其中的實驗步驟，找到實驗重點和要點，從而提高學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)效率和興趣。

（四）數(shù)據(jù)分析與實驗設(shè)計

在教育數(shù)字化背景下，引導(dǎo)學(xué)生在信息化系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并且對實驗現(xiàn)象進(jìn)行總結(jié)是必不可少的。教師可引導(dǎo)學(xué)生記錄關(guān)鍵的數(shù)據(jù)信息，并且利用數(shù)字化設(shè)備更加方便地采集實驗數(shù)據(jù)，將相關(guān)數(shù)據(jù)信息錄入到分析系統(tǒng)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，繪制成圖像表格。借助此類方式，也能夠培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力，方便學(xué)生在后續(xù)學(xué)習(xí)過程中應(yīng)用合理的解釋，分析實驗數(shù)據(jù)，對實驗現(xiàn)象做出科學(xué)合理的推斷。

此外，教師須鼓勵學(xué)生主動參與實驗設(shè)計環(huán)節(jié)，讓學(xué)生通過數(shù)字化工具、模擬軟件進(jìn)行靈活自主的實驗操作，并且預(yù)測結(jié)果，將預(yù)測結(jié)果與實驗方案進(jìn)行比對，從中總結(jié)出欠缺和不足，借助此類方式也能夠增強(qiáng)學(xué)生實驗設(shè)計能力。教師利用實驗數(shù)據(jù)以及可視化呈現(xiàn)功能，可將實驗結(jié)果完美展現(xiàn)給學(xué)生，并且利用圖表、圖像、動畫等不同方式，使學(xué)生能夠直觀理解和分析實驗數(shù)據(jù)；并且找到數(shù)據(jù)之間存在有機(jī)關(guān)聯(lián)、數(shù)學(xué)規(guī)律，借此可幫助學(xué)生提高對實驗過程的理解能力。而教師也可引導(dǎo)學(xué)生對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行推理解釋，分析數(shù)據(jù)趨勢，識別模式，總結(jié)出知識原理和概念。借助此類方式也能夠培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維以及推理能力。

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)中，在進(jìn)行酸堿中和反應(yīng)操作時，學(xué)生通常會進(jìn)行酸堿溶液的配制和反應(yīng)過程的觀察，然后根據(jù)觀察結(jié)果進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)記錄和分析。在實驗設(shè)計方面，信息化手段可以幫助學(xué)生進(jìn)行實驗方案的設(shè)計和優(yōu)化。通過模擬實驗軟件，學(xué)生可以在虛擬實驗室中進(jìn)行多次實驗，調(diào)整實驗條件和參數(shù)，觀察不同因素對實驗結(jié)果的影響。在數(shù)據(jù)分析方面，可以將實驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入電子表格軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，通過繪制曲線圖或制作數(shù)據(jù)表格，可以直觀地展示酸堿反應(yīng)的變化趨勢和結(jié)果。同時，還可以使用數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行更復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，如計算反應(yīng)速率、確定反應(yīng)機(jī)理等。因此，使用信息化手段進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與實驗設(shè)計在高中化學(xué)實驗教學(xué)中具有重要的必要性。它可以提供更準(zhǔn)確、全面的實驗數(shù)據(jù)，幫助學(xué)生更深入地理解實驗原理和現(xiàn)象，培養(yǎng)科學(xué)思維和實驗設(shè)計能力。

（五）碎片化實驗教學(xué)模式

碎片化實驗教學(xué)模式是一種以實驗為核心的教學(xué)方法，旨在通過將知識點分解為碎片化的實驗任務(wù)，讓學(xué)生在實踐中探索和發(fā)現(xiàn)科學(xué)原理。在這種模式下，教師會將課程內(nèi)容分解為一系列小實驗，每個實驗都涉及特定的科學(xué)概念和實驗技能。學(xué)生通過參與這些實驗，逐步積累實驗經(jīng)驗和科學(xué)知識，培養(yǎng)實驗設(shè)計、觀察、記錄和分析的能力。這種碎片化的實驗教學(xué)模式能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性，提高他們的實踐能力和科學(xué)思維能力。同時，學(xué)生在實驗中也能夠體驗到科學(xué)研究的過程，培養(yǎng)科學(xué)探究的精神和方法。

例如：在制備乙烯的實驗活動中，學(xué)生可通過虛擬系統(tǒng)，借助乙醇和濃硫酸完成對乙烯的制備，但是在實驗操作過程中還包含一個最為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖⒁馐马棧匆掖己蜐饬蛩岬捏w積為1：3，同時反應(yīng)溫度需要控制在170℃。此時，學(xué)生會提出額外猜想：“如果乙醇與濃硫酸的體積比例不是1：3，那么會生成什么？”教師可根據(jù)相關(guān)疑問引進(jìn)碎片化的實驗項目，借助一分鐘的視頻播放時間，省略掉復(fù)雜的操作，直接切入主題，向?qū)W生展現(xiàn)出乙醇和濃硫酸在1：4、1：5的情況下會產(chǎn)生怎樣的反應(yīng)，借助短視頻資料解釋其中的實驗疑問，為整體化的實驗教學(xué)提供更加全面的支持，從而使學(xué)生能夠形成更加完整的學(xué)科思維。因此，教師需要在教育數(shù)字化背景下引進(jìn)短視頻資料，通過短視頻科普教育的形式，補(bǔ)充整體化學(xué)實驗中的細(xì)節(jié)部分，讓學(xué)生在日常學(xué)習(xí)過程中，通過短視頻資料不斷豐富自身的知識面。運用這種實驗教學(xué)模式，高中階段的學(xué)生能夠更加深入地理解科學(xué)原理，提高解決問題的能力，并為未來的科學(xué)研究和學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。

結(jié)束語

總體來說，在教育數(shù)字化背景下，高中化學(xué)教師需要對實驗課程教學(xué)方法、程序、機(jī)制進(jìn)行改善，引進(jìn)多元化的教學(xué)策略，帶領(lǐng)學(xué)生對高中化學(xué)知識進(jìn)行深層次、多維度研學(xué)探究，從而提高學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)效率。

參考文獻(xiàn)

[1]浦紹體.信息化背景下高中化學(xué)實驗教學(xué)模式探討[C]//教育部基礎(chǔ)教育課程改革研究中心.2020年“教育教學(xué)創(chuàng)新研究”高峰論壇論文集.云南曲靖宣威市第六中學(xué)，2020：2.

[2]蔡文林.信息技術(shù)和新課程背景下創(chuàng)新高中化學(xué)實驗教學(xué)模式的探究[J].中文科技期刊數(shù)據(jù)庫（引文版）教育科學(xué)，2021（5）：1.

[3]李林玲.微課背景下高中化學(xué)實驗教學(xué)模式研究[J].科學(xué)咨詢，2019（18）：1.

本文系廣西教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年度專項課題“教育數(shù)字化背景下高中化學(xué)實驗課教學(xué)模式創(chuàng)新研究”（課題編號：2023ZJY701）研究成果。